ДЕФЕКТ РИСКА НА ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ СТАЛЬНЫХ ТОЛСТОСТЕННЫХ ТРУБ Мокроусов В.И.

АО «Выксунский металлургический завод»


Номер: 12-2
Год: 2015
Страницы: 154-160
Журнал: Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук

Ключевые слова

стальные сварные трубы большого диаметра, критическое давление разрыва трубы, дефект риска, the welded steel major-diameter pipes, the critical pressure of the pipe rupture, the groove defect

Просмотр статьи

⛔️ (обновите страницу, если статья не отобразилась)

Аннотация к статье

Предложен критерий упругопластического разрушения стальных труб большого диаметра при дефекте риска на внутренней поверхности трубы. Результаты исследования могут быть использованы при диагностике причин разрушения стальных труб большого диаметра магистральных газонефтепроводов.

Текст научной статьи

Статистика и причины аварий газонефтепроводов. Среднее число инцидентов и аварий за 1999-2009 гг., приходящихся на 1000 км российских магистральных трубопроводов, составило 0,06 отказов в год. На западноевропейских магистральных трубопроводах среднее число отказов за 1991-2006 гг. составило 0,32 отказа в год, на североамериканских - 0,48. Однако на отечественных нефтепроводах почти в два раза больше, чем в США и Европе, отказов из-за заводских дефектов и брака строительно-монтажных работ. Поэтому необходимо изучать причины известных случаев отказа трубопроводов из-за производственного брака [1-57]. В Европе три наиболее важные причины возникновения аварийных ситуаций и утечек - внешние воздействия на трубопроводы (36%), стресс коррозия (29%) и механические повреждения (24%). Основными причинами аварий на российских магистральных трубопроводах в течение 2001-2006 гг. стали: внешние воздействия - 34,3%, брак монтажно-строительных работ - 23,2%, стресс коррозия - 22,5%, сталеплавильный брак металла и дефекты труб при их изготовлении - 14,1%, ошибочные действия персонала - 3%. Статистика аварий российских трубопроводов показывает, что разрушение стенок труб в основном происходит именно на трубопроводах большого диаметра 700-1420 мм. Причем свыше 80% разрушений трубопроводов с признаками стресс коррозии наблюдается на трубопроводах диаметром 1020-1420 мм. Основной причиной коррозионно-механического растрескивания металла стенок труб является совместное действие трех факторов: 1) низкое сталеплавильное качество металла и заводские дефекты труб - большие остаточные напряжения, микротрещины и микрорасслоения металла после формовки трубной заготовки, гофры, риски, раскатные пригары, несплавления сварного шва и так далее; 2) наличие коррозионно-активной среды и ее доступ к поверхности металла; 3) многоцикловая усталость и разрушение металла от пульсаций внутритрубных рабочих давлений и гидроударов. Дефекты стенок стальных толстостенных магистральных труб подробно изучались в работах [2-4, 9, 18, 22, 30, 33]. Пример дефекта риска на поверхности стальной трубы. На рис. 1 показана стальная труба магистрального трубопровода «Восточная Сибирь - Тихий Океан» с дефектом риска на поверхности трубы. Глубина и ширина риски соответственно равны 0,4 мм и 8 мм. Геометрические и прочностные характеристики стальной трубы: диаметр трубы D = 1220 мм, толщина стенки трубы h = 19 мм, класс прочности стали К60, предел прочности стали σв = 684 МПа. Рис. 1. Исследование автором статьи дефекта риска на поверхности стальной трубы с помощью электронной аппаратуры Критерий упругопластического разрыва трубы при внутреннем давлении и дефекте риска. Риска (царапина) - дефект поверхности трубы в виде канавки без выступа кромок с закругленным или плоским дном, образовавшийся от царапания поверхности металла листа или трубы прокатной арматурой без изменения структуры и неметаллических включений. На рис. 2 показан продольный и поперечный вид риски на поверхности трубы. Пусть p - внутреннее давление трубы; h и D - толщина стенки и внешний диаметр трубы, σв - предел прочности материала трубы; l, Δ и δ - поперечная ширина риски, глубина риски и смещение наибольшей глубины риски от ее центра (0 ≤ δ < l/2), φ - угол наклона линии риски к оси симметрии трубы. Рис. 2. Дефект риска на поверхности трубы По теории упругопластического течения деформацию элементов сплошной среды можно представить как сумму упругой и пластической деформаций. При этом упругая деформация подчиняется обобщенному закону Гука, а пластическая деформация подчиняется теории Сен-Венана-Мизеса. Если риска находится на внутренней поверхности трубы, то разрушение поверхности трубы происходит, когда максимальные касательные напряжения в основании риски достигнут половины предела прочности материала трубы: где μ = const ≥ 1 - экспериментальный безразмерный коэффициент. Результаты расчетов. При μ = 1, σв = 684 МПа (труба класса прочности К60), D = 1220 мм, h = 19 мм, D = 0,4 мм, l/2 - d = 4 мм, φ = 0 критическое давление трубы pshкритич = 12,15 МПа. При μ = 1, σв = 684 МПа, D = 1220 мм, h = 19 мм, D = 0 мм (труба без риски) критическое давление трубы pshкритич = 20,66 МПа. Таким образом, маленькая риска глубиной 0,4 мм уменьшает прочность стальной трубы с толщиной стенки 19 мм в 1,7 раза. На рис. 3 показана зависимость критического напряжения pshкритич от диаметра трубы D при μ = 1, σв = 684 МПа, h = 19 мм, D = 0,4 мм, l/2 - d = 4 мм, φ = 0. Рис. 3. Зависимость pshкритич (Па) от диаметра трубы D (м) На рис. 4 показана зависимость критического напряжения pshкритич от толщины стенки трубы h при μ = 1, σв = 684 МПа, D = 1220 мм, D = 0,4 мм, l/2 - d = 4 мм, φ = 0. Рис. 4. Зависимость pshкритич (Па) от толщины стенки трубы h (м) На рис. 5 показана зависимость критического напряжения pshкритич от глубины риски D при μ = 1, σв = 684 МПа, D = 1220 мм, h = 19 мм, l/2 - d = 4 мм, φ = 0. Рис. 5. Зависимость pshкритич (Па) от глубины риски D (м) На рис. 6 показана зависимость критического напряжения pshкритич от предела прочности σв при μ = 1, D = 1220 мм, h = 19 мм, D = 0,4 мм, l/2 - d = 4 мм, φ = 0. Рис. 6. Зависимость pshкритич (Па) от предела прочности стали sВ (Па) На рис. 7 показана зависимость критического напряжения pshкритич от толщины стенки трубы h и глубины риски D при μ = 1, σв = 684 МПа, D = 1220 мм, l/2 - d = 4 мм, φ = 0. Рис. 7. Зависимость pshкритич от h и D Автор выражает благодарность научному руководителю, профессору, д.ф.-м.н. Владимиру Николаевичу Шинкину (Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС») за обсуждение статьи и ценные замечания.

Научные конференции

 

(c) Архив публикаций научного журнала. Полное или частичное копирование материалов сайта возможно только с письменного разрешения администрации, а также с указанием прямой активной ссылки на источник.